Способ определения длины диффузии электронов в многокомпонентном полупроводнике

Способ определения длины диффузии электронов в многокомпонентном полупроводнике

Иллюстрации

Показать все

Реферат

 

Назначение: изобретение относится к области электронной техники. Согласно изобретению образец помещают на держатель , установленный с возможностью поворота его плоскости относительно оптической оси в диапазоне углоо 1-10°, освещают пучком рентгеновского излучения после предварительной обработки поверхности с помощью активатора, возбуждают фотоэффект при фиксированном значении угла падения рентгеновского пучка на поверхность полупроводника, измеряют величину скачка рентгеновского фотоэффекта на одном из краев рентгеновского поглощения по крайней мере одного из элементов, входящих о состав полупроводника и аналитически определяют длину диффузии электронов о образце. (Л С

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

rs»s H 01 1 21/66

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕ

ВЕДОМСТВО СССР (ГОСПАТЕНТ СССР) мРХдММ

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4787689/25 (22) 02.02.90 (46) 23.06.93. Бюл. М 23 (71) Ленинградский государственный университет и Научно-производственное объединение "Электрон" (72) А.Л.Андрющенко, В.Н.Щемелев, Г.Б.Стучинский и А.И.Климин (56) I.S.Esher 1.Appl.Phys., 1973, ч. 44, М 1, р.

525, L.W.lames. Phys. Rev., 1969, ч. 183, р, 740.

Авторское свидетельство СССР

hL 11448855332277, кл. Н 011 21/бб, 1987. (54) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ДЛИНЫ

ДИФФУЗИИ ЭЛЕКТРОНОВ В МНОГОКОМПОНЕНТНОМ ПОЛУПРОВОДНИКЕ

Изобретение относится к области электронной техники, в частности к изготовлению полупроводниковых структур с заданными параметрами (в том числе длиной диффузии электронов), используемых в электронных приборах.

Целью предлагаемого способа определения длины диффузии электронов в полупроводнике является упрощение способа при сохранении высокой точности определения длины диффузии электронов в полупроводнике и расширение возможности применения на обьекты, не поддающиеся повороту при облучении.

Указанная цель достигается тем, что в способе определения длины диффузии электронов в полупроводнике, включающем

„„5U „„1823032 А1 (57) Назначение: изобретение относится к области электронной техники. Согласно изобретению образец помещают на держатель, установленный с возможностью поворота его плоскости относительно оптической оси в диапазоне углов 1 — 10, освещают пучком рентгеновского излучения после предварительной обработки поверхности с помощью активатора, возбуждают фотоэффект г,ри фиксированном значении угла падения рентгеновского пучка на поверхность полупроводника, измеряют величину скачка рентгеновского фотоэффекта на одном из краев рентгеновского поглощения по крайней мере одного из элементов, входящих в состав полупроводника и аналитически определяют длину диффузии электронов в образце. предварительную обработку поверхности исследуемого полупроводника,обеспечивающую снижение работы выхода электрона на поверхности полупроводника до величины, соо ветствующей состоянию поверхности, характеризуемому отрицательной величиной электронного сродства, возбуждение внешнего. рентгеновского фотоэффекта, измерение характеристики рентгеновского фотоэффекта и определение длины диффузии электронов по формуле, возбуждают рентгеновский фотоэффект при одном угле падения рентгеновского пучка, измеряют величину скачка рентгеновского фотоэффекта, на одном из краев рентгеновского поглощения по крайней мере одного из элементов, входящих в состав по1823032

- р;,(s);„ (hl, 1 dz

25 — " I;(hl;„1 "

; ° " е ° !

40 н !4; 1(2- М, (д, 1(1 I лупроводника, по которой рассчитывают длину диффузии электронов.

Существенность отличий заявляемого способа обусловлена характером физических процессов, протекающих в полупроводнике со сниженной работой выхода при облучении потоком рентгеновских квантов и эмиссии возбужденных электронов в вакуум.

Если многохроматический пучок рентгеновского излучения с интенсивностью JoN

Оже-электронов, возникающих в слое dZ при поглощении в нем падающего рентгеновского излучения. Полная энергия этой группы электронов Wi(2): где,и- линейный коэффициент поглощения рентгеновского излучения с эчергией квантов h N полупроводником, pI — частичный линейный коэффициент поглощения рентгеновского излучения с энергией кзантоа Ь атомами (-того элемента, входящего в соM став полупроводника p =,,и(, M — число

I =1 элементов, входящих в состав полупроводника. PIm(h v) — вероятность m-того радиационного перехода I! атоме 1-того элемента при возбуждении его рентгеновским излучением с энергией I занта h v, h И вЂ” энергия флуоресцент його рентгеновского кванта, возникают ;.го при п1-том радиационном переходе в атоме 1-того элемента, NI — число возможных рентгеновских радиационных переходов в атоме I-того элемента.

Во-вторых иэ рентгеновских фото- и

Оже-электронов, возникающих в слое d2 при поглощении в нем флуоресцентного рентгеновского излучения, возбуждаемогб по всему объему полупроводника падающим рентгеновским пучком. Полная энергия этой группы эле,;.тронов Wz(Z):

Фа IhIIg t! . .(he !!;

„!,), (! д(, "" Z —,,„Z ;.! ! р 6

<„. !!!!(!! «)(1

It(hi e -zI и е е " е ", » со в-третьих из рентгеновских фото- и

Оже-электронов, возникающих в слое dZ при поглощении в нем флуоресцентного рентгеновского излучения, возбуждаемого по всему обьему флуоресцентным рентгено15 вским излучением, возникшим во всем обьеме полупроводника в результате поглощения падающего рентгеновского пучка. Полная энергия электронов этой группы М/з(2):

20 е .ен I Н р(" Ь в „ 1;!!,(i! -It, It!((! It.Itâ(è" ""- > ", !""hatt.t»t

+ /Ь! f !!9! !! е е "! Н М -! — - " (": 0," t;tlt:.!" .!!"!!!!*!! ео!!е ; !(! «1)е sit!((— "ц. 3 Jz, Ф1 1 1н (ь „

+-(д ("ôftI (!(9(й,е " " !" р-,, („!! °

° о вн y((„))з

45 -f4ijdII(II е " " (" у 1 ф Таким образом, полная энергия собст55 венно рентгеновских электронов, ежесекундно возникающих в слое dZ на глубине Z от поверхности полупроводника, на который под углом rp падает рентгеновский пучок с интенсивностью J< равна:

W(Z) й1(2) + W2(2) + МЧз(2).

18230;32

Возникающие первичные рентгеновские электроны растрачивают свою энергию на возбуждение электрон-дырочных пар, в результате чего возникает каскад медленных вторичных электронов, практически в месте образования первичных быстрых собственно рентгеновских электронов. Как известно, средняя энергия

r, затрачиваемая на возбуждение одного такого электрона примерно л 3 раза превышает ширину запрещенной зоны полупроводника. Тогда число вторичных медленных электронов ежесекундно возникающих в слое dZ на глубине Z равно:

G(Z) = W(Z)I F .

Вторичные электроны, термалиэуясь и диффундируя в твердом теле, имеют вероятность подойти к поверхности. В соответствии с теорией диффузии электронов в полубесконечном твердом теле, электроны, возникшие на глубине Z о слое dZ, дойдут до поверхности с вероятностью ехр(-Z/L), где L — длина диффузии термализованных электронов. Электроны, подошедшие к поверхности полупроводника, работа выхода которой снижена до состояния отрицательного электронного сродства, имеют определенную вероятность В выхода о вакуум. При этом число электронов, возникших о слое dZ на глубине Z и вышедших в вакуум будет равно:

dn = BG(Z)exp(-Z/()

Полное число электронов, ежесекундно выходящих в вакуум при облучении полупроводника монохроматическим рентгеновским пучком с энергией кванта Е = h v, падающим под углом р к поверхности (полный ток рентгеновского фотоэффекта):

1 = е/,, dn =eN, BA(h v)/ñ,, где

Л(Л((:(—, -), ((E-j Р, (E! «(j

ЛЛ(Г ( мЧ: оя ((ЛЛ ) (Р("Л((о ((((Л, ) лл

ЛЛ К;

;К р, (л ((„ ) (Л ((„- p, (h3 ) Л л(, (+ ((l Х(ФЯ:р,(Й, ) V>a (hj(((((;,) л,(, (п(лл.i —,,„„ (,„(.,(«т;,(- „) (Л

«E,(Л(т 1 (((Л

10 (Л ( ((((Л (с

15 где /<((Е) — частичный коэффициент поглощения рентгановског0 излучения с энергией кванта Е атомами (-того элемента, входяо(его о состав полупроводника, /с (Е)

20 — линейный коэффициент поглощения рентгеновского излучения с энергией кванта Е полупроводником:

E((E) = g Л(1 (E(M — «испо впвментов, 25 (=1 входящих в состав полупроводника, Р((Е)— вероятность m-того радиационного перехода в атоме 1-того элемента с испусканием флуоресцентного рентгеновского кванта с энергией h 11 при снятии возбуждения, вызоа(гного рентгеновским излучением с энергией кванта Е, h»1> — энергия флуоресцентного рентгеновского кванта, возникающего при m-том радиационном переходе в атоме (-того элемента, й(— число возможных рентгеновских радиационных переходов в атоме (-того элемента, /с,я ((1 т) ) — УсРеДненный по углам ьыхода флуоресцентного излучения линейный коэффициент поглощения

40 полупроводником флуоресцентного излучения с энергией кванта h т((< по нормали к поверхности, L — длина диффузии электронов, у — угол падения рентгеновского пучка на полупроводник, Анализ приведенного выражения для

45 полного тока рентгеновского фотоэффекта показывает, что при изменении энергии падающего рентгеновского пучка вблизи энергии какого либо края рентгеновского поглощения какого либо из элементов вхо50 дящих в состав полупроводника, рентгеновский фотоэффект претерпевает скачкообразное изменение. Величина скачка рентгеновского фотоэффекта определяется как отношение полных токов

55 рентгеновского фотоэффекта до и после края рентгеновского поглощения соответственно:

Sg I(:-((+ E)/l(Ep -E. ) = A(Eg+a )/А(Е -Е ), 1823032

) де Е), энергия края рентгеновского поглощения, «1: - малая величина энергии, равная в)ирине энергетического уровня, соответствующего данному краю по(лощения.

Приведенное выражение для скачка рентгеновского фотоэффекта Sf представляет собой уравнение относительно величины

L - длины диффузии электронов в полупроводнике. Таким образом, для определения длины диффузии электронов в полупроводнике достаточно измерить величину скачка рентгеновского фотоэффекта на одном из краев рентгеновского поглощения одного из элементов, входящих в состав полупроводника и получить значение длины диффузии электронов иэ решения уравнения:

Бг =- А(Ек + )/А(Е с - ф где Sr — величина скачка рентгеновского фотоэффекта, измеренная на крае поглощения одного из элементов, входящих в состав полупроводника, Е(- энергия края поглощения данного элемента, f. — малая величина энергии, равная ширине энергетического уровнн, соответствующего данному краю поглощения, Функция A(E) определяется выражением (1).

Теоретическое исследование связи скачков рентгеновского фотоэффекта с длиной диффузии электронов в полупроводнике проведено авторами впервые и в литературе не описано, Способ реализуют следующим образом.

Исследуемый полупроводник закрепляют в держателе вакуумного прибора, служащего детектором рентгеновского излучения и содержащего входное окно. прозрачное для рентгеновского излучения и вторично-электронный умножитель, Поверхность исследуемого полупроводника обрабатывают, обеспечивая снижение работы выхода электрона на поверхнос1и до величины, соответствующей состоянию поверхности, ха ра кте ризуе мому отрицател ьн ым электронным сродством. Затем на исследуемый полупроводник воздействуют рентгеновским излучением, возбуждающим в полупроводнике рентгеновский фотоэффект.

Регистрируют полный ток детектора. Измеряют величину скачка рентгеновского фотоэффекта на одном из краев рентгеновского поглощения по крайней мере одного из элементов, входящих в состав полупроводника.

Длину диффузии электронов в полупровЬднике находят иэ решения уравнения, Пример.

Для onределеиия длины диффузии электронов в эпитаксиальном слое полупроводника GaP .:.тот слой помещают в вакуумный прибо; с окном из бериллия, прозрачным

)((2) (—, +-}, . — — ((Š- Р(2) h) 1

Е (Е)

2, (Е(Е) „,()) ) и и

Ч) ЕЕ,(",„1(" ; -Z2 ()) ((, ), Ь и;

+i -(Е)Z(;() ;.) 2;,((), )) (Ь,,((Э.,(, II "," III;: ) I",,".;, Ме) 1 I ч )"М1,;„„8((», )--, рМ; Ii-It (р (Е) 1 р(Ь4 „) р(),,) (,(),1. ) /

íp(Ôu

Р(М ) 2 (д 1 дч «Р 3а для рентгеновского излучения, содержащий вторично-электронный умножитель и источники цезия и кислорода. Слой закрепляют на держателе под углом р= 5 оптической

5 оси прибора, таким образом, что исследуемый полупроводник служит рентгеновским фотокатодом. Работу выхода поверхности полупроводника снижают до величины. соответствующей состоянию поверхности, ха10 рактеризуемому отрицательной величиной электронного сродства, известным методом адсорбции цезия и кислорода. Затем на поверхность слоя напрэвляют пучок рентгеновского излучения вдоль оптической оси

15 прибора и с помощью самопишущего прибора ЛКД вЂ” 4 — 003, подключенного к измерителю токов У5 — 6 измеряют величину скачка рентгеновского фотоэффекта на К-крае поглощения галлия 5г. В примере она состав20 ляет Яг - 1,86. В качестве возбуждающего рентгеновский фотоэффект излучения используют тормозное излучение стандартной рентгеновской трубки БСВ-29 с молибденовым анодом. Выделение рентге25 новского пучка с энергией, близкой к энергии К вЂ” края поглощения галлия производится рентгеновским спектрометром — монохроматором. Значение длины диффузии электронов в полупроводнике

30 получают решая уравнение:

Яг-А(Ек+ E)/А(Е),- f), где Е((— энергия К вЂ” края поглощения галлия, Е = 10366,5 эВ e — малая величина -энергии, равная ширине энергетического уров35 ня, соответствующего К-краю поглощения

Ga, в расчете величина е принимается равной 0,5 эВ

1823032

10 где: pi (Е) — частичный коэффициент поглощения рентгеновского излучения с энергией кванта Е атомами I-того элемента, входящего в состав полупроводника, значения величин известны из таблиц и для GaP 5 равны и1(Еь + е) - 671,28 см èI (Åk -е ) =

83,574 см рг(Е +e)- pz(Е -е )-44,468 см соответственно для Ga и Р р (Е) — ли -1 нейный коэффициент поглощения рентгеновского излучения с энергией кванта Е 10 полупроводником; р (Е) =, pt(E) М вЂ” число элементов, 1=1 входящих в состав полупроводника, в примере М - 2, Ni — число возможных рентгеновских радиационных переходов в атоме

I-того элемента, в полупроводнике, исследуемом в примере существенный вклад в перераспределение энергии падающего 20 излучения по глубине полупроводника дает только К-флуоресценция, поэтому ограничиваются рассмотрением только К-флуоресцентных переходов и Ni - 1 энергия флуоресцентного рентгеновского 25 кванта, возникающего при m-том радиационном переходе в атоме l-того элемента, энергии К вЂ” флуоресцентных квантов Са и P соответственно равны h vI - 9252 эВ и

h A 2014 эВ, Plm(E) — вероятность m-того 30 радиационного перехода в атоме 1-того элемента с испусканием флуоресцентного рентгеновского кванта с энергией h pm npu снятии возбуждения, вызванного рентгеновским излучением с энергией кванта Е, зна- 35 чения Pim(E) для К вЂ” флуоресцентных переходов исследуемого в примере полупроводника приведены в таблице, Е Ek+e Ekã

Рim(Е) 0413 0 0 0 40

Р2т(Е) 0,86 0,86 0,86 0 86 фср (h gk) — УсРеДненный по Углам выхода флуоресцентного излучения линейный коэффициент поглощения полуп роводником флуоресцентного излучения с энергией кванта h gk no нормали к поверхности, полагают P p (h gk) = 0,5 I ср (h 1 3с), 1 — длина диффузии электронов, Рассчитанная величина L составляет

1,40 мкм с точностью 0,05 мкм, Технико-экономическая эффективность предлагаемого способа по сравнению с прототипом заключается в упрощении способа и в возможности определения длины диффузии электронов в полупроводниках, не поддающихся повороту при облучении, что позволяет применять способ и устройство в электронной технике для определения длины диффузии электронов в полупроводнике в стандартных вакуумных приборах с полупроводниковыми фотокатодами на всех этапах контроля полупроводниковых приооров, Формула изобретения

Способ определения длины диффузии электронов в многокомпонентном полупроводнике, включающий предварительную обработку поверхности полупроводника, обеспечивающую снижение работы выхода электрона до величины, соответствующей состоянию поверхности, характеризуемой отрицательной величиной электронного сродства, возбуждение внешнего рентгеновского фотоэффекта и определение длины диффузии электронов расчетным путем, о тл и ч а ю ц и и с я тем, что, с целью упрощения способ", рентгеновский фотоэффект возбуждают при одном угле падения рентгеновского пучка, измеряют величину скачка тока рентгеновского фотоэффекта на одном из краев рентгеновского поглощения по крайней мере одного из элементов, входящих в состав полупроводника, по которой рассчитывают длину диффузии электронов.

Составитель А.Андрющенко

Техред le.Ìoðãåíòàë Корректор С.Лисина

Редактор

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 101

Заказ 2181 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям пои ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5